专利名称：有吸收梯度和选择光谱滤光的光学装置及透镜组和照相机的制作方法
技术领域：
本发明涉及准备用于保证透镜组象平面上均匀照明的具有吸收梯度的光学装置。本发明还涉及形成准备用于在穿过该装置的整个光谱中滤除局部光谱段的光谱滤光器的这类光学装置。最后本发明涉及装有上述类型光学装置的透镜组和照相机。
为了制作用于数字型照相机的高质量透镜组，光谱滤光器必须被引入以除去对这类照相机所装配的半导体型光学传感器很敏感的红光和红外光波段。吸收梯度滤光器也必须被引入以使透镜组象平面上的照明均匀化。实际上，目前在市场上可买到的照相机透镜组往往具有在其象平面上照明不均匀的问题，这导致从象平面的中心到其边缘在照明上的实质降低。这个问题联系到形成这类透镜组的透镜往往是球面透镜的事实。这类透镜通常被使用因为它们通过用研磨粉研磨和抛光容易去制造。不幸的是，如将参照本发明申请所附
图1被说明的，从照明的观点看来这些透镜是最不适当的。
上述图1示出分别用标记字母A和B标明的两个点。这两个点A和B都在球面透镜2的象平面1上。如图1示出，点A位于透镜2的光轴4上，而点B位于离轴4一段距离处。透镜2对点A和B的投射因数或有效孔径将分别被称为α和β。应该注意对于位于轴外的点有效孔径变小，也就是说β＜α。因此，照明，即每单位面积的能量，对位于轴外的点将减小。这由照明E按关系E＝E0cos4ω变化的事实被证实，其中E是入射的照明而ω是光轴与在透镜中心连接到象平面上一点的直线之间的角度。因而，对位于光轴上的点，ω＝0，而E＝E0为最大。反之，对位于光轴外的点，角ω增大而所得到的照明E减小。
为了从照明的观点尝试校正球面透镜的不利影响，可以设想几种解决方法。这些解决办法之一在于使用非球面透镜或许多球面透镜的组合。另一种已知的解决办法在于使用有吸收梯度的滤光器。这种滤光器通常采取被配置于或贴近于实际象平面或中间象平面的基本上平面基片的形式。按照第一种可供选择的实施例，基片的一个面被镀上反射材料如铝的薄膜。这个薄膜具有在其中心比其边缘区域更厚并因而反射更强的特点。它因而通过降低象平面中心处照明而允许更多的光通过该象平面的边缘使透镜组象平面的照明能被均匀化。按照另一种实施例，吸收梯度滤光器由原液染色材料制成，其光密度从滤光器中心朝着边缘降低。其他更加复杂的吸收梯度滤光器也可能被使用。
刚才被描述的校正措施具有昂贵的缺点。特别是，透镜组必须被安装在洁净的环境如洁净的室内，而且为了防止灰尘滤光器必须被密封，这意味着高成本。此外，在透镜组的光路上两个附加器件的组合意味着透镜组不能被小型化和紧凑化。最后，远离透镜组的光轴处由入射光与吸收梯度滤光器表面形成的角度增大，它引起该滤光器表面所反射的光的数量的增加，并因而到达被装配到数字型照相机的光学传感器的光的减少。
本发明的目的是通过使光谱滤光器和吸收梯度滤光器的功能能被结合在同一个器件上以克服以上难题和缺点。
因此，本发明涉及准备使象平面的照明，特别是由数字型光学传感器所确定的，均匀化的光学装置，其特征在于它是由透明的滤光均匀的材料的部件构成，该部件对穿过它的可见光谱的全部波长具有基本上一致的吸收系数，并且具有适应于确定了的吸收断面的变化的厚度。
作为这些特点的结果，本发明提供一种光学装置，其适当被选择的厚度形成顺序变化的吸收，使被装有待获得装置的透镜组的象平面上的照度能一致。与现有技术的吸收梯度滤光器相比，作为其整体式结构的结果，按照本发明的装置能容易而便宜地去制造。它还是紧凑的，以致它能易于被组合到透镜组中。
按照本发明补充的特点，透明滤光材料的部件形成一个透镜。
按照本发明的另一个特点，该光学装置对包括在确定了的光谱段内的波长具有高数值的吸收系数。
因而，不同于现有技术其中，为了制作用于数字型照相机的高质量的透镜组，吸收梯度滤光器、光谱滤光器和透镜必须被安装在该透镜组的光路中，本发明使这两个滤光器和透镜的功能被结合在同一个光学器件中。这使透镜组的成本价能被限制，在一方面通过减少对其安装所需的组成部分的数目，在另一方面通过简化制造，因为为了保证有效的防止灰尘只有将按照本发明的光学装置从图象传感器隔开的空间必须被密封。
本发明还涉及包含上述类型的光学装置的照相的透镜组，以及装有这种透镜组的照相机。
当阅读以下按照本发明的光学装置的一个实施例实例的详述时，本发明的其他特点和优点将显得更加清楚，这个实例单纯作为说明性和无限制性的例子与附图一起被给出，在附图中图1，它已被引用，是球面透镜及其所连带的象平面的示意图；图2是按照本发明的光学装置的示意图；图3是中性滤光材料透射率的曲线图；图4是强红外光吸收性材料光透射率的曲线图；以及图5是强紫外光吸收性材料光透射率的曲线图。
按照本发明的光学装置的应用的优选实例涉及到数字型照相机。作为本发明的结果，有可能提供给用户一种便宜而紧凑的透镜组，然而保证在该透镜组象平面上的均匀照明，以及使被装配到这种类型照相机半导体光学传感器非常敏感的红外光谱段中的波长能被除去的选择性光谱滤除。然而，显然本发明的装置能以相似的方式被用于任何其他的光学系统，例如，装有光敏胶片的通用的照相机，其中也需要均匀照明，而且其中，对光敏胶片可能敏感的紫外光如果需要可被除去。
如图2示出，按照本发明的，整体用一般数字标记6标明的光学装置被组合在放置在半导体光学传感器12入口面10前面的照相透镜组8的光路中。这个光学传感器被装配，例如，到未在图中被示出的数字型照相机。
照相透镜组8包含，除按本发明的光学装置外，三个分别由标记14、16和18标明的距位于待照相目标的旁边的透镜组8的入口面20的透镜。在图2中所示的实例中，三个透镜14、16和18都是球面透镜。更确切地说，透镜14是平凸透镜，透镜16是双凹透镜而透镜18是双凸透镜。
这三个透镜14、16和18是由玻璃、塑料或任何其他透明光学材料制成的。不用说，当然，上述照相透镜组8的实施例单纯通过说明性和非限制性例子被给出的，按照透镜组8光学系统的复杂性，该透镜组8能够包含或多或少数目的球面和/或非球面透镜的组合。
现在我们涉及按照本发明的光学装置6。按照本发明的第一个特点，光学装置6采取由均匀透明滤光材料制成的部件的形式。为了本发明的目的，滤光材料意味着对穿过它的可见光谱的全部波长基本上具有相同吸收系数的材料。这种类型的材料也被称为中性滤光材料。滤光材料的有些实例在图3中被说明，图3示出以百分率表示光的透射率T随穿过该滤光材料以纳米表示的光的波长λ而变化。曲线22代表滤光为30％的材料。换句话说97％的光被透过。曲线24表示滤光为20％的材料，即，吸收20％光能并允许80％通过。如在图3能见到的，曲线22和24都是水平的直线，这意味着对穿过滤光材料的全部可见光谱段吸收基本上是相同的。
因而，通过选择合适的吸收系数值并通过改变随光轴离透镜组8的距离而变化的滤光材料部件的厚度，确定的顺序变化的吸收剖面能被获得，这使在装配有这种滤光材料部件的透镜组的象平面上能得到均匀照明。为了这个目的，以及按照本发明的另一个特点，在滤光材料的部件的边缘区域中的吸收是小于相同部件的中心区域的吸收的。因此透明均匀滤光材料的部件降低在透镜组的象平面中心处的照明，反之它允许更多的光通过该象平面的边缘。
按照本发明的光学装置6的一个优点在于它的均匀结构。如在本发明申请的引言部分所述，现有技术的滤光器一般具有不均匀的结构，或是具有添加在基片表面的薄膜，基片的厚度，随基片的中心朝着边缘改变，必须被精确地控制，或是在光密度方面变动，而光密度总是难以去适当控制的。相反，作为其单一结构的结果，按照本发明的装置6能非常容易地制造，因而在制造期间允许作出许多节省。
按照本发明的优选的替代实施例，光学装置6采取中心比朝着其边缘更厚的透镜26的方式，以致它具有在透镜组8的象平面上允许获得均匀照明的合适的吸收剖面。如在图2中所示，透镜26是球面的平凸透镜，其曲率适合于透镜组8的焦距。在安装透镜组8的期间，为了防止灰尘侵入只有在透镜26与光学传感器12之间的空间被牢牢地密封起来。由于面对光学传感器12的入口面10被设置的透镜26的背面30是平面的事实，这种密封操作是容易的。因而透镜组8由4个透镜14、16、18和26构成，它们按这种方式排列，即该透镜组8的象平面28是在光学传感器12的光敏平面中。
按照本发明的另一个特点，滤光材料的部件对于包含在确定了的光谱段内的波长还具有高吸收系数值。因而，作为本发明的结果，吸收梯度滤光器和光谱滤光器的功能在同一个光学器件中被结合起来。本发明的这种特殊有利的配置，通过减少对其安装必需的器件数而使透镜组8的成本价能被限制。因为只有滤光材料的部件必须被组合在该透镜组8的光路中，它实际上还允许较少麻烦和更加紧凑。作为实例，在不同光学器件之间距离的数值分别为-透镜14与薄膜式开口21之间的距离为0.6mm；-薄膜式开口21与透镜16之间的距离为0.29mm；-透镜16与透镜18之间的距离为0.56mm；-按照本发明透镜18与透镜26之间的距离为0.1mm。
另外，透镜组8的直径是小于光学传感器12的有效表面的对角线的。作为使三个性质不同的光学器件能组合成一个的本发明的结果，这样一种紧凑的结构成为可能。
在数字型照相机的情况下，滤光材料的部件将必须强烈地吸收对半导体光学传感器12非常敏感的红外光。为此目的，滤光材料的部件可以，例如，借助标记BG39由Schott公司销售的玻璃制成。这种材料的光谱透射截面用图解法被示于图4中。曲线32和34分别对应于大约1mm和2mm的玻璃BG39的两种不同厚度e1和e2。对于曲线32，透射率T约为80％，而对于曲线34，T约为70％。因而应注意玻璃BG39的吸收在可见光谱范围内基本上是不变的而它在红外光范围(在透射率T方面强烈地降低)急剧地增加。将要注意到滤光材料部件的厚度通过吸收足以除去任何干扰的红外光。
相反地，在装有光敏胶片的惯用的照相机的情况下，在可见光谱范围具有恒定吸收率的材料将被选择，而在紫外光范围吸收率急剧下降(见曲线36，图5)。
本发明还涉及装有上述类型的光学装置6的透镜组以及装有这样一种装置的照相机。
不言而喻，各种简单的改进和变型属于本发明的范围。
权利要求
1.准备用作使象平面上照明均匀化的，特别是由数字型光学传感器所确定的，光学装置，其特征在于它是用透明的均匀滤光材料制成的部件构成的，该部件具有对穿过的可见光谱的全部波长基本上一致的吸收系数，并且具有适宜于确定了的吸收剖面的变化的厚度。
2.按照权利要求1的光学装置，其特征在于透明滤光材料部件在边缘区域的吸收小于中心区域的吸收。
3.按照权利要求1或2中任何一个光学装置，其特征在于透明滤光材料的部件形成透镜(26)。
4.按照权利要求3的光学装置，其特征在于透镜(26)是球面的。
5.按照权利要求4的光学装置，其特征在于透镜(26)是平凸的。
6.按照权利要求1至5中的任何一个光学装置，其特征在于透明滤光材料的部件对于包含在确定的光谱段内的波长还具有高吸收系数值。
7.按照权利要求6的光学装置，其特征在于透明滤光材料的部件对红外光范围强烈地吸收。
8.按照权利要求7的光学装置，其特征在于透明滤光材料的部件是由Schott公司销售，参考标记为BG39的玻璃制成的。
9.按照权利要求6的光学装置，其特征在于透明滤光材料的部件在紫外光范围强烈地吸收。
10.包含多个球面的和/或非球面的透镜的照相透镜组，其特征在于它包含按照权利要求1至9中的任何一个光学装置。
11.按照权利要求10的照相透镜组，其特征在于球面的和/或非球面的透镜(14、16、18)以及光学装置(6)被配置以使该透镜组(8)的象平面(28)是在光学传感器(10)的光敏平面中。
12.照相机，其特征在于它包含按照权利要求10或11的照相透镜组。
全文摘要
本发明涉及准备用于使象平面照明均匀化的,特别是由数字型光学传感器所确定的,光学装置,其特征在于它是用透明的均匀滤光材料制成的部件构成的,该部件具有对穿过它的可见光谱的全部波长基本上一致的吸收系数,并且具有适宜于确定了的吸收剖面的变化的厚度。
文档编号G02B5/00GK1271103SQ00106929
公开日2000年10月25日 申请日期2000年4月21日 优先权日1999年4月21日
发明者H·布克泽克, J·格鲁普 申请人:阿苏拉布股份有限公司